Alcune note sulla fissione nucleare. La Pila atomica di Fermi

Alcune note sulla fissione nucleare. La Pila atomica di Fermi

Prof. Graziano Surace

Ultima Rivisitazione: Roma, 9 Giugno 2008

1 Introduzione

Il navigatore italiano ´ e atterrato nel nuovo mondo(A.Compton).

(The italian navigator has landed on the new world).

Con queste parole, Arthur Compton il 2 dicembre 1942 salut´ o il funzion- amento della pila atomica progettata da Enrico Fermi (primo reattore nu- cleare), con la quale, per la prima volta al mondo, ´ e stata prodotta energia grazie ad una reazione nucleare a catena autosostenentesi.

Ma come funziona la pila di Fermi e perch´ e ´ e cos´ı importante? In primo luogo va chiarito che si produce energia sempre a spese di qualcosa. Per esempio si pu´ o produrre energia sotto forma di calore bruciando del carbone.

Nella pila di Fermi si produce energia ”bruciando” uranio. Il fatto impor- tante ´ e che nella combustione del carbone, il numero di atomi di Carbonio o Ossigeno non viene modificato. La reazione chimica infatti coinvolge solo gli elettroni atomici, responsabili dei legami tra i differenti elementi. Nella pila nucleare, il combustibile Uranio si trasforma in altri elementi, completa- mente differenti, tramite una reazione di fissione nucleare cio´ e una reazione che coinvolge la parte pi´ u interna dell’atomo, il nucleo. Prima di chiarire come avvenga una tale reazione, ´ e da sottolineare il fatto che la fissione di un solo grammo di

U produce una quantit´ a di energia 2800000 volte pi´ u grande di quella che si ottiene bruciando un grammo di carbone! Questo rende la pila di Fermi tanto straordinaria.

1

2 Il meccanismo della fissione

Una reazione nucleare si chiama di ”Fissione” quando un nucleo di un ele- mento pesante, come l’uranio, si spezza in frammenti, cio´ e nuclei pi´ u leggeri.

Questo tipo di reazione, che avviene spontaneamente con probabilit´ a piccol- issima, pu´ o esssere indotta dall’urto con neutroni. Infatti se un neutrone collide con un nucleo di uranio, la probabilit´ a di fissione di quest’ultimo au- menta notevolmente. Un esempio di reazione di fissione ´ e il seguente:

n +

U →

Ce +

Kr + n + n + e + e (1) cio´ e una reazione del tipo

n +

U → A + B + neutroni (2) Bene, perch´ e questa reazione ´ e cos´ı speciale? Lo si pu´ o capire ”pesando”

i nuclei prima e dopo la fissione:

Sorpresa! La massa dei nuclei prodotti dalla reazione ´ e pi´ u piccola della massa di partenza. La ben nota relazione di Einstein, E = ∆mc

, ci dice che la massa mancante si ´ e trasformata in energia. Ben 200 milioni di eV in una sola reazione! E’ evidente che la fissione nucleare ´ e una fonte energetica pi´ u efficiente della tradizionale combustione.

3 La pila atomica di Fermi

La pila di Fermi ´ e stata il primo reattore nucleare a fissione mai costruito.

Fermi si rese conto che nella reazione di fissione venivano generati neutroni che, a loro volta, potevano generare altre reazioni di fissione collidendo con l’uranio in un meccanismo a catena. E’ proprio questo che accade nella pila:

il reattore si autosostiene, cio´ e, una volta innescate, le reazioni di fissione non richiedono una sorgente di neutroni esterna, ma continuano ad avvenire ed a produrre energia. Questa ´ e in breve l’idea di funzionamento della pila. La realt´ a ´ e che il suo funzionamento ´ e il frutto di un complicatissimo equilibrio fra le quantit´ a ed i tipi di materiali in essa presenti.

Andiamo a vedere piu’ in dettaglio di cosa era fatta la prima pila, e perch´ e.

Partiamo dal fatto che il reattore deve autosostenersi senza sorgenti di neu- troni esterne. Cio´ e il numero di neutroni, che servono ad indurre le fissione dell’

U , non deve diminuire nel tempo, altrimenti il reattore ad un certo

2

punto si spegnerebbe. Il numero di neutroni non puo’ per neanche aumentare indefinitamente, altrimenti questi genererebbero sempre piu’ reazioni di fis- sione che produrrebbero enormi quantit´ a di energia fino all’esplosione del reattore. Dunque si vuole che il numero di neutroni all’interno della pila resti costante. Questo numero ´ e dato dal rapporto K tra gli N neutroni generati in reazioni di fissione e gli N

neutroni inizialmente disponibili.

Il rapporto

K = N

N

(3)

si chiama fattore di moltiplicazione, e , per quanto esposto sopra,deve risultare K = 1 in condizioni di ”criticit´ a” del reattore. Un reattore sottocritico (K < 1) ´ e destinato a spegnersi, mentre uno supercritico (K > 1) pu´ o es- plodere. Non ´ e facile regolare il valore di K attorno ad 1 perch´ e nella pila si verificano anche dei processi diversi dalla fissione che assorbono neutroni e che dunque li rendono indisponibili per questo tipo di reazione.

La pila di Fermi aveva la forma di una sfera leggermente schiacciata in alto e in basso, ed aveva un raggio medio di circa 3.5 metri. Ai blocchetti (di uranio e grafite) erano interposte le cosiddette sbarre di controllo (di cadmio). Queste erano un dispositivo di sicurezza: dovevano essere estratte nel periodo di funzionamento del reattore, ma, essendo costituite di materiale con elevatissima probabilit´ a di assorbimento dei neutroni senza provocare fissioni, il cadmio, assicuravano lo spegnimento della pila una volta reinserite al suo interno. H. Anderson, uno dei fisici che lavoravano a Chicago con Enrico Fermi descrive cos´ı il prim´ o funzionamento della pila in condizioni di criticit´ a:

”La mattina del 2 dicembre (1942) sul presto dissi a Fermi che tutto era pronto ed egli ne assunse la direzione. Fermi aveva predisposto una sequenza di operazioni per il ragiungimento della criticit´ a. L’ultima barra di Cadmio venne estratta a mano, poco a poco: ad ogni arresto si misurava l’attivit´ a neutronica e Fermi confrontava i risultati con le previsioni basate sulle misure prece- denti. Il procedimento convergeva rapidamente ed egli dimostrava una crescente fiducia. Sicch´ e quando si arriv´ o all’ultimo segmento Fermi era certo che la criticit´ a sarebbe allora stata raggiunta. In- fatti quando la barra di Cadmio fu completamente estratta, la pila divenne critica e la prima reazione a catena autosostenentesi ebbe luogo”.

3

La Pila di Fermi funzion´ o con un fattore K pari a 1.0006 per 28 minuti.

3.1 Alcune questioni di interesse fisico connesse con il funzionamento di un reattore

1. Come si ottengono i neutroni di bassa energia (neutroni lenti ) necessari a provocare la fissione indotta dell’uranio?

2. Come si schermano i neutroni prodotti nelle reazioni di fissione?

La risposta al primo quesito ´ e: attraverso il moderatore della reazione. Il moderatore ´ e costituito sostanzialmente da materiali formati da nuclei leggeri capaci di sottrarre energia ai neutroni attraverso urti (sostanze idrogenate).

Sostanze di tal tipo possono essere la grafite (CH

), il berillio (Be) e l’accqua pesante (un’acqua un p´ o particolare in cui l’idrogeno ´ e sostituito da atomi di deuterio, un isotopo dell’idrogeno).

La risposta al secondo quesito ´ e: attraverso le cosiddette sbarre di con- trollo , un dispositivo di sicurezza. Queste sbarrette di cadmio, o acciaio al boro devono essere estratte nel periodo di funzionamento del reattore es- sendo costituite di materiale con elevatissima probabilit´ a di assorbimento dei neutroni senza provocare fissioni.

4